Eine Low Cost PA für 80 und 160m

 Schalt-MOS-FET MOS-FET für Schaltzwecke sind billig und vertragen große Ströme. Sie werden von Funkamateuren schon seit zwei Jahrzehnten für HF Endstufen zweckentfremdet. Das hat Tradition, denn bereits in der Röhrenzeit wurden billige Zeilenendröhren aus Fernsehern in Senderendstufen missbraucht. Früher waren echte HF Transistoren sehr teuer und noch nicht so leistungsfähig wie heute. Doch das hat sich geändert und nun ergibt es wenig Sinn anstelle moderner HF-Transistoren noch Schalttransistoren zu quälen. 
 Trotzdem habe ich eine solche Endstufe gebaut. Man lernt dabei viel und wenn’s knallt kostet es nur ein paar Franken. Anstoss dazu waren alte Artikel im Web über derartige PA’s. Sie weisen alle ähnliche Schaltungen auf. Denn jeder hat natürlich von seinen Vorgängern kopiert. Auch fällt auf, dass keiner seine Schaltung wirklich zu verstehen scheint und dass das Funktionieren oft Zufall ist. Das will aber nicht heissen, 
dass ich meine PA hundertprozentig verstehe ;-) 

 Schalt-FET haben gegenüber echten HF-Transistoren drei Nachteile: 

1. Sie haben sehr große interne Kapazitäten. 
2. Sie sind nicht so schnell wie HF-Transistoren. Für 160 und 80 reicht es – mit Mühe manchmal sogar noch auf 40m – doch dann machen sie schlapp. Das hat natürlich auch mit Punkt 1 zu tun. 
3. Der Drainanschluss ist mit der Gehäusemasse verbunden. Sie müssen deshalb elektrisch isoliert montiert werden, was die Wärmeabfuhr erschwert.   

 Meine PA sieht so aus:

 Zurzeit fehlen nur noch die Seitenwände und der Deckel. Schutzschaltungen besitzt sie keine, da ich den Operateur kenne ;-) Eine Fehlstellung des Bandschalters steckt sie aber klaglos weg (80m senden ins 160m Filter). Das Netzteil ist eingebaut und zum grössten Teil für das hohe Gewicht (17kg) verantwortlich. Sie besitzt keinen Ventilator. Mein Ziel war es, eine leise PA zu bauen. Der Kühlkörper mit Heatspreader aus Cu ist entsprechend dimensioniert.   

 Hier die Schaltung – ohne Netzteil:

 Abgekupfert habe ich natürlich bei meinen Vorgängern sowie bei Helge Granberg und im ARRL Handbuch. Granberg war der Vater aller modernen Amateurfunk-Endstufen mit Transistoren. Seine Motorola Application Note EB104 ist legendär. 

 Das Netzteil besteht aus einem 24V 800VA Trafo, einem Brückengleichrichter und einem 47‘000 uF Kondensator. Es liefert je nach Belastung 28 bis 33 Volt: Alle Relais sind 12V Typen und werden im Tandem an der Hauptspannung betrieben. Eine Spannungsstabilisierung und eine 12V Hilfsspannung sind nicht nötig. 

 Eingesetzt wurden IRFP264. In einem ersten Prototyp habe ich auch IRFP250 und IRFP260 ausprobiert. Die damit erzielten Resultate weichen vom jetzigen Muster ab (andere Steilheit, interne Kapazitäten, Schaltzeiten). Ohne Ferritperlen auf den Gates schwingt die PA bei ca. 30MHz. Die Rückkopplung erfolgt dabei über die interne Drain-Gate-Kapazität der Transistoren. Die Frequenz wird durch die internen Kapazitäten und die Anschlussinduktivitäten bestimmt. Weniger steile Transistoren, wie der IRFP250, schwingen nicht!   Hier ist der Kühlkörper mit montiertem Heatspreader zu sehen: Die Kupferplatte misst 10x10x1cm und wurde natürlich mit Wärmeleitpaste als Zwischenlage montiert. Der Kühlkörper ist leider nicht ganz plan. Trotzdem wurde auf Fräsarbeit verzichtet. Habe nur eine Bohrmaschine :-( Die Schaltung wurde auf eine einseitige FR4 Platte montiert, deren Cu-Fläche als Masse dient und die über die Edelstahlschrauben mit dem Heatspreader und dem Kühlkörper verbunden ist. Als Lötstützpunkte dienen aufgeleimte FR4 Streifen (UHU Hart hat sich bewährt).   

In diesem Bild sind Transistoren provisorisch zu Demozwecken montiert:

 Und hier die Eingangsschaltung wieder ohne Transistoren:

 Einsatz von SMD im Format 1812 als Abblockkondensatoren. 47nF/500V als Abblock, 100nF/200V zur Kopplung im Eingang:

 Das fertig montierte HF-Modul im Testaufbau:

 Der Eingangstrafo 9:1 ist eine Schweinenase mit 43er Material von Amidon (FairRite), die Kerne für den Ausgangstrafo 1:16 stammen aus der Bastelkiste (TDK) und ähneln auch dem 43er Material. Wichtig: Die Impedanzen der Wicklungen müssen ein Mehrfaches der Ein- bzw. Ausgangsimpedanzen betragen. Lustig: Der Ausgangstrafo wird im Betrieb kaum warm, das Teflonkabel ist also Overkill. Die Berichte über heiße PA-Trafos sind mir schleierhaft. 

 Die Primärwicklung besteht aus einer Windung und wird mit eingelöteten Kupferröhrchen realisiert. L=8uH Alle Widerstände sind soweit induktionsarm, dass ihre Induktivität vernachlässigt werden kann.   

 Blick in die montierte Endstufe: 

 Links unten der Shunt für das Amperemeter. In der Mitte die Tiefpassfilter, siebenpolige Chebyshev mit dem Filterrechner von AADE dimensioniert (so dass die gewünschten Filterparameter mit den verfügbaren Kapazitätswerten meiner Bastelkiste zusammenpassen, hi). Rechts unten die Antennenumschaltung und auf die Flanke des Trafos geklebt: das -3dB Dämpfungsglied, das das Eingangs SWR verbessert ;-) Links vom Trafo ist der Kühlkörper des Brückengleichrichters zu erkennen. Die PA ist servicefreundlich aufgebaut, das HF-Modul ist mit Steckern verbunden und lässt sich mit zwei Schrauben demontieren. Links vor der Frontplatte: der Zweitongenerator von Elecraft für die IMD Messung. Interessantes Detail: Der Trafo wird im Leerlauf ziemlich heiss (bis 50C). Der Kühlkörper des HF-Moduls wird im intermittierenden SSB-Betrieb nicht wärmer! 

 Im 160m Band liefert die PA 500Watt PEP bei 8W Ansteuerleistung. IMD dritter Ordnung ca. -27dB, fünfter Ordnung -37dB. 

 Im 80m Band braucht die PA bereits 25W für 500W PEP. Die IMD ist dort noch etwas besser. Der Wirkungsgrad beträgt ca. 65%. Der Biasstrom ist 50mA pro Transistor.

 Optimierungspotential (zB. Eingangs SWR ohne Dämpfungsglied) ist sicher noch vorhanden. 27.1.2014, Anton